2A14铝合金TIG焊组织及力学性能不均匀性分析

（北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124）

0 前言

2A14 铝合金属于 Al－Cu－Mg－Si系可热处理强化的铝合金，在－250～250℃的温度范围内具有良好的机械性能。因其具有良好的焊接性能、高比强度和卓越的低温性能，广泛应用于航空航天工业[1]。

2A14铝合金是目前我国大直径重型运载火箭低温储箱的主体材料之一[2－3]。低温储箱是火箭箭筒结构的重要组成部分，主体结构由壳段和箱底组成[4]。

变极性钨极氩弧焊（VPTIG焊）是一种按特定周期交变电流输出，采用钨极为保护电极，高纯度氩气（Ar）为保护气的焊接工艺[5]。该焊接方法不仅具有显著的阴极清理作用，可有效去除焊缝熔池表面的致密氧化膜，而且能最大程度减轻电极烧损，适宜铝、镁合金的焊接[6]。目前，VPTIG焊已成为我国2A14铝合金火箭低温储箱焊接常用焊接方法之一。尽管VPTIG焊能够获得综合性能较好的焊接接头，但仍然存在严重的接头性能不均匀问题，接头强度系数低，最高强度仅能达到基体的70%，严重制约该方法的广泛应用[7]。

焊接不均匀性对焊接结构强度和抗断裂性能的影响是焊接结构断裂安全评定和可靠性研究的热点，包含显微组织不均匀性及力学性能不均匀性等。本研究通过定量分析焊缝及热影响区的屈服强度、抗拉强度，确定2A14铝合金VPTIG焊接头的强度不均匀性分布，力求解决结构完整性评定所涉及核心问题的可行途径，为铝合金贮箱焊接结构完整性评定提供数据基础。

1 试验材料和方法

试验采用2A14-T6铝合金板材，尺寸300 mm×300 mm，板厚3 mm，采用单面单层焊接，利用SZ61体视显微镜观察焊缝的横截面形貌，如图1所示。

图1 接头形貌示意Fig.1 Schematic diagram of the joint morphology

采用数控线切割加工接头试样，打磨、抛光后采用keller试剂腐蚀金相试样（2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O）。利用 OLYMPUS BX51M卧式金相显微镜（OM）观察接头的微观组织；采用SU3500扫描电镜（SEM）观察接头不同区域；采用HXP-1000TML/L型数字式显微硬度计测试显微硬度，相邻测试点间隔为0.5 mm，试验载荷200 gf，加载时间10 s；采用MTS810型拉伸试验机进行拉伸试验，加载速率1.0 mm/min，每个工艺参数测试3个试样，结果取平均值。

采用AG-250KNIS型拉伸试验机测试焊接区域不同位置的拉伸力学性能，加载速率10 mm/min；采用数控线切割加工微区拉伸试样，从焊缝中心向外每1.5 mm取1个试样，共取20个，取样位置如图2所示。试样具体尺寸如图3所示。力学性能试验中规定塑性延伸0.2%的强度为屈服强度。

图2 微拉伸试样取样位置示意Fig.2 Schematic illustration of sampling position of the micro zone tensile

图3 接头微区拉伸试验试样尺寸Fig.3 Micro-tensile specimen design

2 试验结果与分析

2.1 金相组织不均匀性分析

焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区和母材区组成，其中热影响区可分为固溶区和过时效区。2A14铝合金接头微观组织如图4所示。焊缝区（见图4b）为典型的铸态组织主要由等轴树枝晶组成，晶界较粗大。熔合区（见图4c）为约200μm的小区域，附近分布有少量微气孔，主要为柱状晶和包状枝晶。固溶区（见图4d）受热循环作用影响峰值温度较高，晶粒相对较粗大，平均晶粒尺寸为73μm。过时效区（见图4e）受热循环作用的影响较小，晶粒组织形貌与母材区（见图4f）相似，均为细小扁平晶粒组织，平均晶粒尺寸42 μm。随着过时效区内沉淀相的长大粗化，意味着发生过时效，强度降低形成软化区。

2.2 合金元素与第二相分布

除了晶粒大小与形态外，接头的第二相含量与分布差别也很大，因此对焊接接头各区域的合金元素含量及分布情况进行分析。焊缝区、热影响区和母材区的背散射电子图像如图5所示，黑色区域为铝基体，白色部分为合金元素含量较高的第二相。

由图5a可知，焊缝区内分布有大量粗大的白色第二相，主要为粗大的 α（Al）+θ（Al2Cu）共晶相，呈网络状沿晶界分布。由于主合金元素Cu在液态Al中的平衡分配系数k＜1，在熔池凝固阶段易偏聚于晶界及枝晶界处，当达到共晶成分时，发生共晶反应生成θ相。由图5b、5c可知，热影响区过时效软化区与母材区微观组织相似，由于受到的热作用小，基体中保留了原母材中一些粗大θ（Al2Cu）相，未能完全固溶入基体。

图4 2A14板材变极性TIG单面单层焊接金相组织Fig.4 Metallographic microstructure of different zones in the joint

结合如表1所示的焊缝区、热影响区和母材区中基体的EDS能谱分析结果可以看出，在焊缝区基体中合金元素含量极少，大量合金元素均沿晶界析出成为 α（Al）+θ（Al2Cu）共晶相，大大降低强化效果。热影响区和母材区中合金元素含量相对较多，部分固溶于基体中，部分成为GP区、θ″相和细小θ′强化相形成元素，起到沉淀强化效果。

由表1可知，焊接热循环过程对焊接接头各区域合金元素的分布情况有直接影响。

2.3 显微硬度分布

2A14铝合金变极性TIG焊硬度分布如图6所示。由于接头两侧硬度基本呈对称分布，因此只取一侧硬度，由焊缝中心向母材方向依次进行硬度测试。

可以看出，焊缝区是接头中硬度值最低的区域，为80～100 HV0.2，主要原因是焊缝区为铸态组织，原有强化效果基本消失，合金元素偏析严重，不均性程度较大，硬度值浮动范围较大，其中由于焊缝中尚未逸出的微气孔多分布于顶部，造成顶部的硬度值偏低。进入热影响区后，在固溶区硬度值有所增加，由于该区域受热循环温度较高，使沉淀相发生固溶形成过饱和固溶体，焊后经自然时效重新析出细小沉淀相，强度回升，硬度升高，相当于淬火区。随着距焊缝距离的增大，进入过时效区，硬度值开始降低，晶内析出粗大过时效相，即大的沉淀相发生长大粗化，同时部分强化相向θ相转变，减弱沉淀强化效果，硬度最低降至约102 HV0.2。随着距焊缝距离的进一步增加，受热循环的作用逐渐减小，顶部、中部和底部的差异也逐渐减小，硬度值逐步回升达到母材硬度水平152.5 HV0.2。

图5 接头背散射电子图像Fig.5 Backscatter electron images of the joint

表1 接头不同区域基体EDS结果Table 1 EDS results for matrix in different areas of joints %

图6 接头显微硬度分布Fig.6 Microhardness profile of the welding joint

2.4 微拉伸试验

显微硬度测试方法简单且为无损检测，基于显微硬度预测焊接接头各个区域强度和应变硬化系数的方法在工程中很受欢迎。国内外对钢的显微硬度与强度的关系进行了大量研究，并建立了一些力学性能之间的关系式。Cohoon[8]等人考虑应变硬化系数，提出了屈服强度和抗拉强度与显微硬度之间的关系式。Itoh[9]和Zhu[10]等人提供了钢焊接接头焊缝金属抗拉强度与屈服强度之间的线性关系式。Wei Lu[11]等人建立了50 mm厚钛合金接头显微硬度、抗拉强度和屈服强度三者之间的线性关系式，P.A.STATHERS[12]等人利用微小力学拉伸件，确定了6061-T651铝合金屈服强度、抗拉强度与显微硬度之间的关系。

焊接接头微拉伸强度分布如图7所示，抗拉强度和屈服强度的分布与显微硬度分布规律相似。焊缝区主要为铸态组织，强度较低；固溶区中的沉淀相溶入基体中形成α固溶体，在焊后自然时效过程中析出部分强化相，强度升高；过时效区中沉淀相发生粗化，强化效果大大减弱；随着受热影响的降低，强度逐渐恢复至母材强度。

采用最小二乘法对热影响区屈服强度与显微硬度值进行线性拟合，结果如图8所示，线性拟合结果为：σ0.2=2.94HV-78.71，拟合优度R2为0.942,标准偏差SD=13.053 MPa。通过以上公式可预测出2A14铝合金焊接接头各区域的屈服强度。回归分析时，将剩余标准差作为预报精确度的标志。在平面图上加上和减去2SD，做两条与回归直线平行的直线，在焊接缺陷断裂安全评定时，得到预测屈服强度的上下限。

图7 微区强度分布Fig.7 Strength distribution of weld center

图8 热影响区屈服强度（σ0.2）与显微硬度线性拟合Fig.8 LinearfitoftheYieldstrength（σ0.2） andmicrohardness in HAZ

3 结论

通过研究变极性TIG焊3 mm厚2A14铝合金焊接接头组织和力学性能，发现各微区组织和力学性能存在明显差异。

（1）焊缝区组织为等轴树枝晶，晶界粗大，固溶区受热循环影响晶粒相对粗大，过时效区和母材区受热影响小，均为扁平状组织，焊接接头存在明显的不均匀性。

（2）焊缝区基体中合金元素含量较低，大量合金元素沿晶界析出形成共晶组织，强化效果降低；热影响区和母材基体中的合金元素含量相对较多，在基体中分布着细小的θ″和θ′相，起强化效果。焊接热循环过程对焊接接头各区域合金元素的分布情况具有直接影响。

（3）建立了显微硬度与屈服强度及抗拉强度之间的线性关系。通过回归分析建立显微硬度与强度之间的工程经验关系式σ0.2=2.94HV-78.71。当拉伸性能未知时，可根据焊接接头的显微硬度估算出接头各区域的拉伸性能。